Ємнісний датчик: будову та принцип роботи. Ємнісні датчики: застосування

Сучасну промисловість, та й повсякденне людську діяльність людини теж, неможливо собі уявити без різного роду електронних приладів. Вони допомагають нам у всьому, а деякі технологічні операції без них виконати взагалі не вдасться. До таких "помічникам" слід віднести і ємнісний датчик.

Так називають перетворювачі, виготовлені з параметричного типу. Вимірювання якогось обсягу такими приладами здійснюється завдяки коливанням ємнісного опору при зміні якихось важливих параметрів. Простіше кажучи, оцінюється зміна ємності конденсатора під впливом якихось зовнішніх чинників.

Принцип роботи ємнісного датчика

Ось що таке ємнісні датчики. Принцип роботи їх не так складний, але для його розуміння потрібно дещо знати. Для початку згадаємо принцип визначення ємності конденсатора. Виражається це дію за допомогою наступної формули:

С = epsilon-epsilon-? S / delta-.

Цей вираз багатьом відомо зі шкільного курсу фізики, але не завадило б освіжити пам`ять і пригадати, що має на увазі кожна з змінних:

• S - площа конденсаторної пластини.
• Epsilon- - відносна проникність діелектричного матеріалу, використаного в конструкції конденсатора.
• epsilon-? - Так у фізиці прийнято позначати діелектричну проникність вакууму.
• delta- - так може позначатися або товщина пластини діелектрика, або ж відстань між декількома шарами матеріалу.

Таким чином, з наведеної формули випливає, що змінити ємність конденсатора легко. Досить якось подіяти на площу пластини діелектричного матеріалу, на відстань між пластинами або безпосередньо на проникність використаного при виробництві матеріалу. Відповідно, вибір конкретної величини залежить виключно від переліку завдань, які конструктори поставили перед приладом.

Таким чином, можна навіть зробити ємнісний датчик своїми руками, так як з конструктивної точки зору це - звичайний плоский або циліндричний конденсатор, одна з пластин якого постійно відчуває контрольоване переміщення в просторі, що призводить до зміни ємності. Слід пам`ятати, що наведена вище формула вірна тільки в тому випадку, якщо ви повністю нехтуєте крайовими ефектами. Ми ще поговоримо про це в заключній частині нашої статті.

Слід знати, що такого роду електронні прилади інтенсивно використовуються для вимірювання кутових і лінійних переміщень предметів, обчислення розмірів, що прикладається роботи, вологості, концентрації діючої речовини та інших характеристик. Що стосується конструктивної сторони питання, то згадані стоси виготовляють плоскопараллельнимі, в циліндричних корпусах, з штирьовими електродами, з прокладкою з діелектричного матеріалу і зовсім без нього.

Ось як функціонують ємнісні датчики. Принцип роботи деяких з них потрібно знати особливо докладно. В рамках цієї статті ми наведемо кілька формул, які можуть виявитися для вас корисними.

Формули для опису принципу дії деяких видів датчиків

Датчик рівня з можливою зміною площі діелектричних пластин може бути досить легко описаний за допомогою наступного рівняння:

С = epsilon-epsilon-? аХ / delta-.

Під «Х» в даному випадку розуміється довжина перекриття використовуваних електродів. Відповідно, «а» позначає ширину пластин самого конденсатора. Потрібно зауважити, що такі прилади знайшли своє застосування в самих різних галузях промисловості, де їх використовують для точного вимірювання кутових величин. Ємність перетворювача в такому випадку знаходять за допомогою наступного виразу:

С = epsilon-epsilon -? (r? - r?) / 2delta- * (phi -? - phi-).

Щоб точно виміряти чутливість, слід застосовувати дещо іншу формулу:

K = epsilon-epsilon -? (r? - r?) / 2delta-.

Давайте розберемося, що мається на увазі під тими змінними, які входять до складу даних рівнянь:

• r? - Внутрішній радіус пластини конденсатора;
• r? - Зовнішній радіус все тієї ж пластини;
• phi- - вимірювана в даний момент (поточне) значення кута Перекриття
• phi-? - Початкове значення кута перекриття.

Нарешті, розберемо математичний вираз, який описує принцип роботи ємнісного вимірювача із змінним повітряним зазором:

С = epsilon-epsilon-? S / (delta -? - Х).

Неважко здогадатися, що під delta-? розуміється первинний зазор, літерою ж Х позначають величину переміщення пластини. Зверніть увагу! Так як статичні характеристики суто не лінійні, зазвичай датчик рівня такого типу застосовують для вимірювання надзвичайно малих переміщень, величина яких не перевищує 0,1delta- ?. Природно, ці прилади вкрай затребувані в точному машинобудуванні, де навіть менша похибка може призвести до виникнення досить серйозних проблем.

Де вони можуть бути використані?

Області їх можливого застосування надзвичайно різноманітні. Так, практично у всіх галузях промисловості можна зустріти операції, які контролюються саме цими приладами. Їх застосовують для контролю над заповненням різних резервуарів, причому їх вміст може бути рідким, сипучим або ж газоподібним (датчик газу).

Поширеність їх у промисловості та звичайної виробничої діяльності людини тим вище, чим надійніше і простіше конструкція таких приладів. За сукупністю цих ознак вони настільки гарні, що їх можна використовувати навіть в неймовірно агресивних умовах трюмів нафтоналивних танкерів.

Крім того, ємнісний датчик може бути використаний в якості кінцевого вимикача на конвеєрної лінії або верстаті виробничого цеху. Необхідний він і для найбільш точного позиціонування різних механізмів.

Датчики наближення

Але в даний час особливим попитом користуються датчики наближення, які виконані по точно таким же принципом. Спектр їх використання ще ширше. Пов`язано це з копійчаною вартістю пристроїв і можливістю роботи практично у всіх видах промисловості. Втім, є типові галузі, де прилади цього типу є найбільш затребуваними:

• Контроль над заповненням рідиною прозорих ємностей з пластику або скла.
• Аналогічна функція виконується ними на виробництві продуктів харчування (у тому числі і дитячих), де готовий товар розфасовується в ємності з прозорих матеріалів. На цьому ж принципі заснована і робота такого КИПа, як ємнісний датчик палива.
• Для контролю небезпечних ділянок, де можливий обрив обмотувального проводу.
• Контроль аналогічних місць, де може бути пошкоджена несуча стрічка конвеєра.
• Поштучний контроль випускається типу продукції (перерахунок банок, пляшок, упаковок).

Не дивно, що ці електронні прилади є найбільш поширеною в точному машинобудуванні, енергетиці і багатьох інших галузях різновидом датчиків.

Інклінометри

Приладами, які стали порівняно поширеними тільки в останні роки, є малогабаритні ємнісні інклінометри, що забезпечують передачу електричного вихідного сигналу, величина якого прямо пропорційна куту нахилу використовуваного датчика.

Найбільш поширені основні галузі використання даних приладів: системи вирівнювання платформ, визначення величини прогину та технічної деформації різного роду опорних балок, а також найточніший контроль ухилу автомобільних, залізничних шляхів ще на етапі їх будівництва.

Крім того, за допомогою таких пристроїв визначають крен великовантажних автомобілів та іншого транспорту, підйомників та промислових екскаваторів, а також з`ясовують ступінь кутового переміщення відносно сільськогосподарських і промислових машин особливо великого розміру.

Дуже важливі ємнісні датчики рівня палива в нафтовій промисловості. Вони використовуються навіть на супертанкерах, які за один рейс перевозять десятки і сотні тисяч тонн перероблених нафтопродуктів. Надзвичайно ефективні ці прилади навіть в умовах утворення вкрай рясного конденсату і високого ступеня запиленості виробничого приміщення (той же датчик газу).

Знаходять вони своє застосування і при вимірюванні величини абсолютного і відносного рівня тиску, а також товщини діелектричного матеріалу, що надзвичайно важливо практично у всіх галузях промисловості, де використовуються дійсно потужні конденсатори.

Основні переваги ємнісних датчиків

Необхідно зауважити, що ємнісний датчик володіє великою кількістю переваг, якщо порівнювати його з аналогічними приладами, які виконані за дещо іншими принципами. Давайте перерахуємо основні переваги цих Кипов:

• У виготовленні вони надзвичайно прості. Крім того, в їх виробництві можуть бути використані найпростіші і дешеві матеріали. Навіть ємнісні датчики рівня палива, використовувані на важливих об`єктах нафтової промисловості, мають вкрай скромні габарити, володіють мінімально можливим рівнем споживання електричної енергії. При всіх цих характеристиках вони відрізняються чудовим рівнем чутливості, який нерідко недосяжний і для більш дорогих приладів.
• В принципі, можна зробити ємнісний датчик своїми руками, використовуючи як його основи будь-який більш-менш надійний і якісний промисловий конденсатор.
• Контактів у них немає (дуже рідко використовується один струмознімач), що вкрай сприятливо позначається на роботі в умовах високої запиленості та вологості в приміщенні.
• Термін експлуатації надзвичайно довгий, прилад багаторазово встигає «відбити» свою невисоку вартість. Відповідно, датчик ємнісний (ціна якого знаходиться в межах 1200-1700 рублів) є надзвичайно вигідним придбанням.
• Для переміщення рухомої частини приладу потрібно докласти дивно мало зусиль.
• Пристрій дуже легко поєднується практично з усіма категоріями обладнання, яке тільки використовується в промислової діяльності.

Негативні моменти

На жаль, кожен ємнісний датчик має певні недоліки, які в тій чи іншій мірі ускладнюють повсюдне використання даного типу обладнання. Перерахуємо їх більш докладно:

• Коефіцієнт перетворення (тобто передачі) порівняно невисокий.
• Малі розміри і простота конструкції сприяють тому, що висуваються досить високі вимоги до якості екранування приладів.
• Хороший ємнісний датчик рівня (та інші подібні вимірювальні прилади) може ефективно працювати тільки на частоті, що набагато перевищує стандартне значення в 50 Гц.

Важливі зауваження

Втім, все не так погано. Багато виробників домагаються прекрасних характеристик екранування датчиків за рахунок внесення мінімальних змін в їх конструкцію. Що ж стосується частоти використання, то на практиці вони показують прекрасні результати при широко поширеній в промисловості значенні в 400 Гц.

Ми вже говорили про вірність основної формули тільки за умови ігнорування крайового ефекту. Але при цьому корисно знати, що він дійсно може зробити негативний вплив тільки лише в тому випадку, якщо відстань між пластинами діелектрика порівнянно з їх власними розмірами. Крім того, негативний ефект можна значною мірою нівелювати, попросту використавши захисне кільце. У цьому випадку межі впливу ефекту вдається перенести далеко за межі використовуваних обкладок.

Ще раз зауважимо, що ті ж датчики тиску відрізняються чудовою простотою, яка дозволяє створювати на диво стійкі, міцні і дешеві конструкції. Якщо правильно підібрати геометричні розміри використовуваного діелектрика, то про використовувані у виробництві такого конденсатора матеріалах можна особливо не турбуватися.

Таким чином, правильно підібравши марку металу для виготовлення корпусу датчика, можна практично знехтувати навіть сильними температурними коливаннями, які б могли привести у зміні ємності приладу і неадекватності його свідчень. Звичайно ж, це зовсім не скасовує необхідності максимально ретельно ізолювати датчики тиску та інші подібні індикатори від агресивних факторів зовнішнього середовища. Незважаючи на їх простоту, висока вологість і підвищений рівень радіації можуть вкрай негативно позначитися на надійності приладу.

Класифікація датчиків

Використовувані в промисловості способи їх виробництва дозволяють поділити всі випускаються типи датчиків на дві великі групи: одноемкостние і двух`емкостние. Останній різновид поділяється на диференціальні і полудіфференціальние. Расмотрим їх більш докладно.

Одноемкостний прилад. У цьому випадку схеми ємнісних датчиків прості до крайності, оскільки основною їхньою частиною є самий звичайний конденсатор зі змінною ємністю. На жаль, навіть злегка підвищена вологість і температура чинять на точність показань вельми відчутний вплив. Через це нерідко виникають різні несправності датчиків. Щоб нівелювати величини таких похибок, доводиться використовувати диференційовані конструкції.

Двух`емкостний датчик. Власне, він-то і є такою диференційованої структурою. Дуже часто можна зустріти ємнісний датчик рівня, виготовлений саме за такою схемою. Ці прилади позбавлені від основних недоліків попередньої моделі, але мають власні слабкі сторони. Найбільш значущим їх недоліком є необхідність використання двох-трьох екранованих проводів між самим пристроєм і поверхнею, тому що тільки таким способом можна придушити так звані паразитні ємності.

Втім, на досить складні схеми ємнісних датчиків в цьому випадку легко не звертати уваги, так як натомість ви отримуєте надзвичайно точний і чутливий прилад.

Специфіка конструювання датчиків

У багатьох випадках (з конструкторської точки зору) створення таких приладів є досить проблематичним. Особливо це актуально тоді, коли потрібно створити датчик з перемінним рівнем ємності. Втім, практика показує, що багато проблем практично повністю вирішуються точної калібруванням і високими характеристиками використовуваних у виробництві матеріалів. Найчастіше з цими утрудненнями доводиться стикатися виробникам двух`емкостних датчиків.

Взагалі специфіка цього типу вимірювальних приладів полягає в тому, що їх можна представити у вигляді безрозмірного співвідношення двох фізичних величин (ємностей), які мають точне фізичне вираження і значення. Так що їх можна сміливо називати «датчиками відносини». Перевага цих приладів (величезний їх плюс!) Полягає в тому, що вони взагалі можуть не мати в своїй конструкції якихось еталонних мір, що здорово підвищує їх надійність в дійсно екстремальних ситуаціях і умовах.

Характеристика датчиків лінійних переміщень

Всі неелектричні величини, які часто потрібно контролювати в промислових умовах, надзвичайно різноманітні і багатогранні. Значну частину заходів, які підлягають суворому контролю, складають кутові і навіть лінійні переміщення різного роду поверхонь в просторі. Якщо використовувати конденсатор, у якого абсолютно рівномірний електричне поле в робочому зазорі, то не так вже й важко зробити електронні датчики двох наступних типів:

• У яких площа електродів буде змінної.
• Ті, які мають змінний зазор між цими електродами.

Неважко зрозуміти, що перший тип найбільш підходить для фіксації дійсно великих переміщень, у той час як за допомогою другого різновиду можна помічати навіть такі пересування тіла в просторі, величина яких дорівнює всього лише декільком мікронам!

Датчики для визначення кутових переміщень

В общем-то, по конструкції і призначенню вони практично повністю ідентичні щойно розглянутому нами типу. Схожість виявляється і в тому, що датчики зі змінною площею електродів також слід використовувати для великих вимірювань, а з змінною відстанню між самими електродами - для малих. Як правило, такі прилади робляться багатосекційними, з можливістю зміни площі обкладок конденсатора.

Щоб досягти цього, перший електрод кріпиться до рухомого валу, при обертанні якого він змінює своє положення щодо другого, що забезпечує зміну площі перекриття пластин діелектрика в конденсаторі. Природно, що при цьому фіксується зміна ємності.

Висновки

Ось ми і розглянули основні характеристики приладів такого рівня, дізналися про сфери їх застосування, про особливості конструкції, принцип дії та можливих технічних рішеннях. Як ви могли зрозуміти зі статті, поширеність ємнісних датчиків і їх вкрай висока популярність грунтуються на вельми привабливою ціною таких пристроїв і боргом терміні експлуатації навіть в складних умовах зовнішнього середовища.

Все це можливо завдяки тому, що, з конструктивної точки зору, всі ці вимірники є всього лише стандартними конденсаторами, які характеризуються дещо незвичним способом їх застосування. Втім, ви й самі можете це з`ясувати, ще раз глянувши на математичні формули, які в загальних рисах відображають принципи роботи Кипов.